[发明专利]一种太空高刚度大机动桁架天线及其设计方法

说明书

本发明属于星载天线技术领域，公开了一种太空高刚度大机动桁架天线及其设计方法，基于国内外可展天线、可展伸展臂机构的国内外分析现状，确定可机动天线背架的结构，提出确定天线背架工作面的方法，确定适合可机动天线背架的可展开单元构型，设计天线背架整体构型；通过建立天线背架可展单元模块运动模型的方法，确定可展单元模块的运动学特性，以验证可展单元的可行性；同时，通过建立天线背架整体运动学模型的方法，分析天线背架整体展开过程，以验证天线背架的合理性；通过分析天线背架的动力学特性，确定了自由模态和约束模态，分析了结构材料和几何尺寸对天线背架固有频率的影响，确定了提高结构刚度和固有频率的影响。

技术领域

本发明属于星载天线技术领域，尤其涉及一种太空高刚度大机动桁架天线及其设计方法。

背景技术

目前，航天科技的不断发展，推进通信广播卫星、军事侦查卫星、气象卫星等技术的研发进程，人造卫星技术的高速发展全面促进了大型可展机构、测控通信、航天制造等相关的技术水平的提高。其中，可展开机构在航天技术的各个领域均得到了广泛应用，人造卫星的太阳翼帆板、星载天线、空间支撑臂等均由可展开机构实现。可展星载天线作为卫星通讯系统收集和发射信号的重要部件，对信号的质量、强度、带宽和功率的要求使得对星载天线的展开孔径、收纳比、质量、强度、刚度、精度的要求不断提高。在执行快速的跟随或转换跟踪目标时，星载天线需要具备一定的机动性是极其必要的。

星载天线中适于做大口径的有构架式、充气式、固面式，其中充气式天线的刚度低，固面式天线质量较重，构架式天线具有展开口径大、收纳比高、质量轻、高刚度等特点，相比之下构架式更适合应用于可机动的大型星载天线。在空间可展机构中，支撑臂与其它可展结构相比具有较高的刚度，将星载天线与支撑臂相结合，可有效提高星载天线的刚度。在机动过程中传力路径较长，而传统大型构架式星载天线一般通过机械臂的单点约束调整位姿，构架式传动关节较多会导致结构受力不均。大型星载天线在实现机动过程中需承受一定的驱动力矩和自身惯性力，传统构架式星载天线的结构复杂，在机动过程中存在不同步问题，所以分析一种适于可机动的星载天线迫在眉睫。目前，星载天线的主要分析方向有可展构型设计、展开过程、形面精度、动力学分析、结构优化、地面试验、电性能等，在星载天线的机动性能方面的分析较少，所以分析星载天线的机动性能具有重大意义。

可展星载天线支撑结构按照工作表面的形式可以分成三大类，一种是天线整体由若干不同的分反射面板通过铰链连接构成的固面反射面式可展天线，其收纳率由分反射面数量决定，其具有较高的形面精度和刚度，但具有较大的重量；一种是利用压缩气体填充天线外表复合材料的充气式可展天线，通过环境温度变化或紫外线光照射等外界环境条件硬化材料，此类天线具有轻质、高收纳比、展开过程稳定，充气式可展天线应用前景广阔；一种是由可展支撑结构提供支撑点张紧金属索网，张紧的金属网面作为反射面的金属索网式可展天线，其在收纳率、质量、结构刚度和形面精度等性能方面处于适中水平，应用最为广泛。

较为经典的固面反射面式可展天线天线外形与“向日葵”相似，被称为Sunflower天线，通过由多块反射板面与板间铰链相连组成，此天线具的形面精度较高、结构稳定，但收纳率低、质量大。星载天线为加拿大航天局2007年成功研制并应用于Radarsat-2卫星，此天线安装在卫星侧部，由4块固面反射板和板间铰链组成，形面精度高、刚度高、展开过程可靠，但质量较大。

充气式可展天线，展开口径可达14m，其质量小、口径尺寸可控性强、收纳率高，由于结构刚性件少，天线热稳定性差，充气式表面较柔、形面精度难以保证。金属网式天线主要由金属索网与背架构成，天线的整体构型依托于背架结构，按照背架的类型可以分为构架式模块化天线、折叠式天线背架、回弹式天线背架、剪切式周边环类天线、缠绕式天线等形式。构架式支撑结构类的天线收纳比大、展开口径大、质量轻，一般刚度较小、结构复杂、展开过程较不稳定。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的可展星载天线收纳比大、展开口径大、质量轻，一般刚度较小、形面精度难以保证、结构复杂、展开过程较不稳定。

发明内容